Rejoindre la paire improbable: Mes leçons amères Soudage P91 à l’inox 304H

Vous avez déjà essayé de souder deux matériaux qui, métallurgiquement parlant, se détestent absolument? C'est ce que nous faisons dans la vie. Mon nom n'est pas important, mais j'ai balancé un dard et j'ai arrêté les radiographies depuis trente ans maintenant. Tubes de chaudière, collecteurs de surchauffeur, tuyauterie de vapeur principale - vous l'appelez, J'ai probablement brûlé du bâton dessus, ou vu la soudure de quelqu'un d'autre échouer parce qu'il n'a pas écouté.

Cette histoire, celui sur le soudage de l'acier chrome-molybdène A335-P91 à l'acier inoxydable TP304H? C'est une histoire écrite en sueur, quelques échecs, et un quart de nuit particulier dans une centrale électrique de Louisiane dont je rêve encore parfois. Sueurs froides, Vous savez?

Nous parlons d’une soudure de métaux différents, ou DMW. Cela semble clinique. En réalité, c'est comme marier un moteur diesel à une turbine à réaction et s'attendre à ce que l'accouplement dure quarante ans. P91 est votre haute résistance, guerrier résistant au fluage pour haute pression. 304H est votre résistant à l'oxydation, prima donna en acier inoxydable pour haute température. Ils servent à des fins différentes. Mais parfois, dans le monde réel de la rénovation et de la réparation, ils doivent devenir un.

D'abord, Les joueurs: Pourquoi ils ne jouent pas gentiment

Passons aux bases, de mon carnet de notes sur les champs gras, pas un manuel.

L'A335-P91 est un acier martensitique. 9% Chrome, 1% Molybdène, avec une pincée de Vanadium et Niobium. Nous l'adorons car il possède une résistance monstrueuse à des températures élevées, jusqu'à 600°C environ.. Le “H” en 304H signifie simplement qu'il s'agit d'une version à haute teneur en carbone de la norme 18-8 inoxydable, ce qui lui confère une meilleure résistance au fluage. C'est entièrement austénitique, tous les cristaux cubiques à faces centrées.

Dès le départ, les problèmes te regardent en face:

• Inadéquation de dilatation thermique: C'est le grand. P91 a un coefficient de dilatation thermique d'environ 13-14 x 10⁻⁶ /°C. 304H? Plutôt 18-19 x 10⁻⁶ /°C. Donc vous chauffez ce tuyau jusqu'à la température de fonctionnement, disons 570°C. Le côté inox veut presque grandir 30% plus que le côté P91. Ce différentiel essaie de déchirer la soudure juste au niveau de la ligne de fusion. Il crée des tensions cycliques à chaque démarrage et arrêt de l'usine.. Nous appelons cela la fatigue thermique à faible cycle.

• Migration du carbone: Aux températures de soudage, et même aux températures de service, le carbone est un oiseau migrateur. Il adore voler d’où il y en a beaucoup (le P91, qui a une teneur en carbone décente) là où il y a une forte attraction (la 304H, qui contient beaucoup de chrome). Le chrome est un formateur de carbure. Alors le carbone fait ses valises, se déplace à travers la soudure, et forme une bande continue de carbures de chrome directement du côté inoxydable de la ligne de fusion. Ce groupe est cassant comme du verre. Nous l'appelons le “zone décarburée” du côté P91 et le “zone carburée” du côté inox. C'est une fracture qui attend de se produire. je l'ai vu. Ce n'est pas joli.

• Différences d'oxydation: Le P91 repose également sur la formation d’une couche d’oxyde de chrome, mais c'est plus fin. À des températures élevées, si vous n'obtenez pas le bon profil de soudure, le côté P91 peut s'oxyder préférentiellement juste à côté de l'inox, créer une encoche.

• Traitement thermique après soudure (Pwht) Cauchemar: P91 oblige PWHT à tempérer le dur, martensite fragile qui se forme en refroidissant. Vous devez chauffer toute cette zone à environ 760°C pendant quelques heures. Mais 304H? Quand tu le tiens à 760°C, de mauvaises choses arrivent. Les carbures de chrome précipitent dans les grains et aux joints des grains : c’est la sensibilisation.. Cela prive l'acier inoxydable de sa résistance à la corrosion et le rend vulnérable à une méchante défaillance appelée “attaque au couteau” plus tard. Donc tu es coincé: traitement thermique pour sauver le P91, et tu endommages la 304H. Ne pas traiter par la chaleur, et la soudure P91 est dure et cassante et se fissurera en service. Merde si tu le fais, bon sang si tu ne le fais pas.

L'histoire de la Louisiane: Un échec qui m'a appris plus que n'importe quel séminaire

C'était de retour dans, Je pense, 2007. Une grande centrale de cogénération à l'extérieur de Baton Rouge. Ils avaient un collecteur de sortie de surchauffeur, Matériau P91, et ils étaient en train d'installer une nouvelle section de remplacement de tuyau 304H. C'était une rénovation, une soudure sur le terrain. La société d'ingénierie, une tenue chic du Nord, avait spécifié un métal d'apport standard en acier inoxydable 309L. C'est l'habitude “aller à” pour assembler l'acier inoxydable à l'acier au carbone ou faiblement allié. 309L a une teneur en alliage plus élevée pour gérer la dilution.

L'équipe de nuit, bons les gars, ils l'ont soudé. J'ai suivi la procédure à la lettre, ou c'est ce qu'ils pensaient. La soudure était magnifique. Des casquettes magnifiques. Ils ont fait le PWHT, chauffer toute la soudure et le côté P91 pendant deux heures. La radiographie est revenue parfaite. Pas de scories, pas de porosité. Tout le monde a fait un high-five.

Six mois plus tard, Je reçois un appel frénétique. L'unité était en panne. Une fuite. J'ai roulé là-bas, et mon cœur s'est serré quand je l'ai vu. La soudure n'avait pas échoué au milieu. Il était tombé en panne juste au niveau de la ligne de fusion du côté P91. Un propre, fissure circonférentielle, comme si quelqu'un avait pris un couteau et coupé le tuyau juste à côté de la soudure. Ce n'était pas une déchirure ductile. C'était fragile. On pouvait voir que la fissure traversait cette zone décarburée dont je parlais..

Qu'est-ce qui n'a pas fonctionné? La remplisseuse 309L, à cette température PWHT, a agi comme un aimant de carbone. Il a aspiré le carbone directement du P91, laissant ça faible, zone ferritique. La 309L elle-même, après avoir été maintenu à 760°C, il n'était probablement pas en grande forme non plus. Mais la cause profonde? Le mauvais métal d’apport pour une température élevée, service cyclique. 309L convient pour l'électricité statique, trucs à basse température. Pas ici. Nous avions besoin d'une charge à base de nickel.

Nous avons fini par découper tout ce morceau de bobine. UN $50,000 erreur de matériel et de main d'oeuvre, sans parler de la perte de revenus de génération. Le directeur de l'usine, un gars nommé Mike, il n'a pas crié. Il m'a juste regardé et a dit, “Réparez-le. Et assurez-vous que c'est la dernière fois.” Je me souviens encore de ce regard.

Le correctif: La solution à base de nickel et la véritable procédure

Cet échec a gravé la leçon dans mon cerveau. Pour P91 à 304H, en particulier en service cyclique à haute température (lequel est 99% du temps), vous utilisez un enduit à base de nickel. Période. La norme de l'industrie maintenant, et ce que nous avons utilisé pour la refonte, est ERNiCr-3 (comme l'Inconel 82) pour TIG racine et passe à chaud, et ENiCrFe-3 (comme l'Inconel 182) pour le soudage à l'électrode enrobée.

Pourquoi du nickel? Parce que le nickel a un coefficient de dilatation thermique qui se situe exactement entre P91 et 304H.. Il agit comme un tampon. Plus important encore, le nickel n'a pas une grande affinité pour le carbone. Il ne forme pas de carbures stables comme le chrome.. Alors ce problème de migration du carbone? Cela ne s’arrête pas complètement – ​​la physique est la physique – mais la charge à base de nickel ne crée pas une telle netteté., bande continue de carbures. Le gradient de carbone est beaucoup plus doux.

Voici la vraie procédure, celui que nous avons écrit avec notre sang après ce travail en Louisiane:

Étape 1: La préparation est tout
Vous ne pouvez pas simplement biseauter et souder. Le biseau est un biseau composé, généralement autour d'un angle inclus de 20 degrés, avec un palier d'environ 1,5 mm. Mais la clé est la propreté. L’inox est difficile. P91 est difficile. Vous devez moudre avec des meules dédiées en acier inoxydable. Si vous utilisez une roue qui a touché l'acier au carbone, vous intégrerez des particules de fer dans le biseau en acier inoxydable. Ces particules deviennent des sites d'initiation pour un craquage ultérieur. je l'ai vu. Nous avons eu un installateur une fois, bon homme, mais il s'est trompé de broyeur. On lui a fait re-chanfreiner tout le tuyau. Il était énervé, mais je préfère qu'il soit énervé plutôt qu'une soudure ratée.

Étape 2: La couche de beurre (La sauce secrète)
C'est là que l'expérience bat un manuel. Au lieu d'essayer de souder le P91 directement au 304H en une seule fois, nous “beurre” la face biseautée du P91 en premier. Nous prenons la tige ERNiCr-3 TIG et déposons une couche, peut-être 3 mm d'épaisseur, directement sur le biseau P91 préparé. Ceci est fait avant même que le tuyau ne soit cloué.

Pourquoi du beurre? Plusieurs raisons.

• D'abord, cela nous permet de faire un “intermédiaire” Pwht. Après avoir beurré, nous mettons le tronçon de tuyau P91 (juste cette fin) dans un four de chauffage local ou utilisez des coussins chauffants en céramique et effectuez un cycle PWHT complet à 760°C. Cela tempère la zone affectée par la chaleur dans le P91 lors de la passe de beurrage., et ça soulage le stress de la couche de beurre. Surtout, car la couche de beurre est fine et le 304H n'est pas encore attaché, nous ne conservons pas une quantité massive d'acier inoxydable à cette température sensibilisante. Nous traitons juste le côté P91.

• Deuxième, cela crée une interface graduée. Le premier passage de beurre fusionne avec le P91, créer une fine zone de dilution. Ensuite, cette couche de beurre est traitée thermiquement. Quand on soude plus tard le P91 beurré au 304H en utilisant la même tige de nickel, le métal fondu est essentiellement entièrement à base de nickel. La migration du carbone est minimisée.

Étape 3: Les paramètres de soudage
Nous avons refait la soudure au TIG pour la racine et les deux passes suivantes. Purge d'argon pur à l'intérieur. Il faut purger l'inox, sinon l'intérieur se sucre (s'oxyde) et crée du tartre qui peut se briser et ruiner les aubes de la turbine plus tard.

Voici un tableau approximatif de ce travail, rayé sur un morceau de papier et ensuite entré dans le WPS:

Nous surveillons cette température entre les passages comme un faucon. Si ça devient trop haut, en gros, tu préchauffes trop toute la masse, ce qui augmente le risque de fissuration à chaud dans l'alliage de nickel et favorise davantage la migration du carbone. On le laisse refroidir parfois en dessous de 100°C avant de passer au prochain passage.. Lent et régulier.

Étape 4: Le dilemme PWHT (Encore)
Une fois la soudure terminée, on a un joint avec du P91 beurré, un centre de métal soudé en nickel pur, et le 304H. Devons-nous traiter à nouveau le tout à la chaleur ?? L'approche moderne, et ce que nous avons fait, est un “compromis” ou “trempe” Pwht. Nous chauffons toute la soudure et une bande de chaque côté à une température inférieure à la température standard P91., environ 720-740°C, pour une durée plus courte, disons une heure. Cela fournit un certain revenu à toute martensite fraîche qui aurait pu se former dans la ZAT P91 à partir des passes de soudage finales., mais cela minimise le temps que le 304H passe dans la plage de sensibilisation. Ce n'est pas parfait. Le 304H sera encore quelque peu sensibilisé juste à côté de la soudure. Mais c'est le mieux que nous puissions faire. Certaines spécifications indiquent même maintenant qu'il n'y a pas de PWHT pour ces joints si vous beurrez et contrôlez strictement l'apport de chaleur., mais je suis de la vieille école. J'aime le trempage tempérant.

Ce que disent les codes et les nouvelles tendances

Les codes comme ASME Section IX sont le livre de règles. Ils exigent que vous qualifiiez un dossier de qualification de procédure (PQR) avec essais de traction et de pliage, et pour ces matériaux, souvent des tests d'impact Charpy sur le P91 HAZ. Vous devez prouver que votre procédure fonctionne.

La grande tendance du moment, et j'ai vu ça dans certaines nouvelles usines à gaz au Texas, utilise le soudage TIG orbital automatisé pour ces DMW critiques. La machine contrôle parfaitement l’apport de chaleur et la vitesse de déplacement, bien mieux qu'une main humaine. Cela réduit la variabilité. Nous avons utilisé Orbital pour un travail à Houston l'année dernière, joindre le P91 au 304H sur un reformeur d'hydrogène. La consistance de la perle était autre chose. Mais même alors, les fondamentaux - le beurre, le choix du métal d'apport, le PWHT – ils ne changent pas. La machine n'est qu'un outil.

Une autre chose qui apparaît est l'utilisation de “composition graduée” fil, mais c'est surtout encore dans les laboratoires. Trop cher pour le travail sur le terrain en ce moment.

Des leçons que vous ne pouvez pas apprendre en classe

Donc, quel est le point à retenir de tout cela, de l'échec de la Louisiane et des emplois depuis?

D'abord, cet échec initial n’était pas vraiment un échec de soudage. C'était un échec d'ingénierie des matériaux. Quelqu'un a choisi un métal d'apport qui semblait correct sur le papier mais qui ne convenait pas aux conditions réelles de cyclage thermique et de PWHT.. Nous sommes trop à l'aise avec “pratique courante.”

Deuxième, on ne peut pas vaincre la métallurgie. Vous ne pouvez le gérer que. Vous ne pouvez pas empêcher le carbone de vouloir se déplacer, mais vous pouvez choisir un métal d'apport (nickel) cela ne crée pas de bande de carbure tranchante. Vous ne pouvez pas faire correspondre parfaitement les coefficients de dilatation, mais vous pouvez créer une zone tampon avec du nickel qui a un coefficient intermédiaire. Vous gérez les risques. Vous ne les éliminez pas. Quiconque vous dit qu’il a une soudure parfaite qui durera éternellement ment ou ne le fait pas depuis assez longtemps pour voir ce qui se passe après dix ans et mille cycles thermiques..

Troisième, J'ai parfois appris à faire plus confiance à l'inspection visuelle qu'aux rayons X.. Sur cette soudure de Louisiane, la radiographie était parfaite. Mais un inspecteur très perspicace et doté d'un bon endoscope aurait pu constater une légère décoloration juste au niveau de la ligne de fusion., ou un changement dans le modèle de tartre d'oxyde, cela faisait allusion à quelque chose qui n'allait pas en dessous. Maintenant, Je passe beaucoup de temps à regarder les soudures avant et après le traitement thermique. On peut presque sentir la tension dans le métal parfois.

Nous avons mis en service cette soudure refaite tardivement 2007. Je l'ai vérifié il y a quelques années, lors d'une panne planifiée. J'ai grimpé jusqu'à cet en-tête, j'ai passé la main sur le capuchon de soudure. C'était toujours là. Toujours solide. Une petite décoloration, peut être, mais pas de fissures. Ce sentiment, c'est pour ça que tu travailles. Ce n'est pas le salaire. C'est savoir que tu as fait une erreur, un échec, et tu l'as réparé avec tes deux mains et ton cerveau, et que ça retient 2000 psi de vapeur surchauffée à 1000 degrés. C'est le travail. C'est une sacrée chose.